WO2016131849A1 - Verfahren und vorrichtung zur herstellung von quarzglas aus einer polymerisierbaren polyalkylsiloxanverbindung mit membranfilter als reinigungsvorrichtung - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zur herstellung von quarzglas aus einer polymerisierbaren polyalkylsiloxanverbindung mit membranfilter als reinigungsvorrichtung Download PDF

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WO2016131849A1
WO2016131849A1 PCT/EP2016/053311 EP2016053311W WO2016131849A1 WO 2016131849 A1 WO2016131849 A1 WO 2016131849A1 EP 2016053311 W EP2016053311 W EP 2016053311W WO 2016131849 A1 WO2016131849 A1 WO 2016131849A1
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WO
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membrane filter
feedstock
vapor
quartz glass
process step
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Application number
PCT/EP2016/053311
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French (fr)
Inventor
Norbert Otto
Martin Trommer
Original Assignee
Heraeus Quarzglas Gmbh & Co. Kg
Shin-Etsu Quartz Products Co., Ltd.
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C03—GLASS; MINERAL OR SLAG WOOL
    • C03B—MANUFACTURE, SHAPING, OR SUPPLEMENTARY PROCESSES
    • C03B19/00—Other methods of shaping glass
    • C03B19/14—Other methods of shaping glass by gas- or vapour- phase reaction processes
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    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
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    • B01D53/228—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by diffusion characterised by specific membranes
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    • C03B2207/00—Glass deposition burners
    • C03B2207/30—For glass precursor of non-standard type, e.g. solid SiH3F
    • C03B2207/32—Non-halide
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    • C03B2207/80—Feeding the burner or the burner-heated deposition site
    • C03B2207/81—Constructional details of the feed line, e.g. heating, insulation, material, manifolds, filters

Definitions

  • the present invention relates to a method for the production of synthetic quartz glass and to an apparatus for the production of synthetic quartz glass, which can be used in the context of the method according to the invention.
  • the inventive method and the device according to the invention are characterized by a special membrane filter.
  • quartz glass Si0 2 particles are produced from a siliziumhattigen starting material in a CVD process by hydrolysis or oxidation and deposited on a moving carrier. It can be distinguished between external and mecanicabscheideclar. Inncingabscheideclar the Si0 2 particles are applied to the outside of a rotating carrier. Examples of corresponding external deposition methods are the so-called OVD method (Outside Vapor Phase Deposition), the VAD method (Vapor Phase Axial Deposition) or the PECVD method (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). The most well-known example of an internal separation process is the MCVD process (Modified Chemical Vapor Deposition), in which SiCv particles are deposited on the inner wall of an externally heated tube.
  • MCVD process Modified Chemical Vapor Deposition
  • silicon tetrachloride SiCl 4
  • SiCl 4 silicon-containing feedstock for the production of synthetic quartz glass.
  • Silicon tetrachloride and other analogous chlorine-containing substances already exhibit sufficiently high vapor pressures at moderate temperatures below 100 ° C., so that any impurities usually remain in the liquid phase and the production of high-purity soot bodies is facilitated.
  • the impurities contained in the liquid phase ultimately reach the soot body and thus worsen the quality of the quartz glass produced therefrom.
  • the impurities are usually metals.
  • a further disadvantage of chlorine-containing feedstocks such as silicon tetrachloride, is that their conversion into synthetic quartz glass produces hydrochloric acid, which causes high costs in waste gas scrubbing and disposal. Basically, therefore, when using silicon tetrachloride devices are used which prevent the entry of moisture. This reduces the formation of hydrochloric acid and prevents the formation of silica. This procedure is familiar to the person skilled in the art.
  • the cyclic polyalkylsiloxanes which can be subsumed under the polyalkylsiloxanes are distinguished by a particularly high proportion of silicon per part by weight, which contributes to the cost-effectiveness of their use in the production of synthetic quartz glass Due to the high-purity availability in high purity, in particular octamethylcyclotetrasiloxane (OMCTS) is used.
  • OCTS octamethylcyclotetrasiloxane
  • Such Po! YalkylsiloxanENSen are polymerizable and are present in the feed in pure form or as a mixture with other components, typically in liquid form. These compounds may also contain traces of polymerizable silanols.
  • the Po! YalkyisiloxanENSen can be supplied to the consumer, such as a Abscheidebrenner, in liquid form and sprayed at the burner outlet or in the flame. In general, however, the liquid feedstock is converted by means of an evaporator into a gaseous or vaporous phase and fed to the consumer as a continuous gas stream via a line system.
  • polyalkylsiloxanes in traces can contain polar impurities such as water, silanols and sometimes also trace catalytic components which have a catalytic catalytic activity (for example Lewis acids or Lewis bases).
  • polar impurities such as water, silanols and sometimes also trace catalytic components which have a catalytic catalytic activity (for example Lewis acids or Lewis bases).
  • These impurities in the case of the silanols under evaporation conditions, can either react with themselves to form polymers or initiate ring-opening reactions with the starting compound. This ultimately results in the formation of said polymeric siloxane residues and gels.
  • US Pat. No. 5,558,687 proposes first spraying the polyalkylsiloxane component and then applying it partly in liquid form to a packing material. A similar procedure is described in EP 0 785 845 A in connection with the use of silicon tetrachloride.
  • the object of the present invention is to provide a process according to the invention with which the gel formation in the production of synthetic quartz glass is reduced.
  • the present invention has the object to provide a method and an apparatus for producing synthetic quartz glass, in which the mass flows of the feedstock vapor are substantially controllable and thus reproducible.
  • Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for producing synthetic quartz glass in which, in particular, the radial and axial density variation in the soot and the variation in the chlorine content in the subsequent dehydration or chlorination step are lowered.
  • Another object of the present invention is to provide a method and an apparatus for producing synthetic quartz glass, in which in particular the outer diameter variation is reduced in a Muttibrennerclar.
  • a method for producing synthetic quartz glass which comprises the following method steps:
  • step (b) passing the feedstock vapor resulting from step (a) through at least one purifier to purify the feedstock vapor;
  • step (c) feeding the purified feedstock vapor resulting from process step (b) to a reaction zone in which the feedstock vapor is converted to SiO 2 particles by oxidation and / or by hydrolysis; and (d) depositing the SiQ 2 particles resulting from step (c) on a
  • process step (e) optionally drying and vitrifying the SiO 2 particles resulting from process step (d) to form synthetic quartz glass.
  • the process according to the invention is then characterized in that the at least one polyalkylsiloxane compound in process step (b) is passed through a membrane filter which is heated to a temperature of 130 to 210 ° C.
  • Such reactive trace impurities may be, for example, the silanols mentioned above. These trace impurities can initiate the ring opening reactions of the cyclic siloxanes due to their polar OH groups. They can react via a condensation reaction with the cyclic main components to higher-boiling impurities, which then also accumulate as gel-like impurities in the vapor line.
  • Reactive catalytic trace impurities are z.
  • Lewis acids and Lewis bases these compounds can initiate ring-opening reactions in the presence of traces of residual moisture. This can z.
  • B also metallic trace contaminants (metal oxides and / or metal halides), which also participate in the ring-opening reactions of the cyclic siloxanes.
  • metallic trace contaminants metal oxides and / or metal halides
  • Main constituents can form higher-boiling impurities, which then also accumulate as gel-like impurities in the steam line.
  • C) e.g., silanols, Lewis acids and Lewis bases
  • inventive method and apparatus of the invention which will be described below, are therefore particularly suitable for the production of synthetic quartz glass, wherein in the manufacturing process by the membrane filter according to the invention, the high-boiling trace impurities under A) and / or the polymeric secondary products resulting from the reaction the reactive trace impurities under B) and / or C) with the raw material, are removed.
  • the membrane filter provided according to the invention, it is thus possible to retain the high-boiling trace impurities under A) and, in particular, the mobile polymeric secondary products resulting from the reaction of the trace impurities B) and C) with the starting material, so that significantly less interfering deposits subsequently occur can form on the sensitive throttles and control valves.
  • batch differences in the starting compounds can be compensated, so that the synthetic quartz glass produced has a consistently good overall quality.
  • a feedstock containing at least one polymerizable polyalkylsiloxane compound is evaporated to form a feedstock vapor.
  • any polymerizable polyalkylsiloxane compound which is suitable for producing synthetic quartz glass can be used according to the invention.
  • polyalkylsiloxane encompasses both linear (including branched structures) and cyclic molecular structures.
  • Particularly suitable cyclic representatives are polyalkyisiloxanes having the general formula
  • the radical "FT” is an alkyl group, in the simplest case a methyl group.
  • Polyalkyisiloxanes are characterized by a particularly high proportion of silicon per part by weight, which contributes to the cost-effectiveness of their use in the production of synthetic quartz glass.
  • the polyalkylsiloxane compound is preferably selected from the group consisting of hexamethylcyclotrisiloxane (D3), octamethylcyclotetrasiloxane (D4), decamethylcyclopentasiloxane (D5), dodecamethylcyclohexasiloxane (D6), tetradecamethylcycloheptasic xan (D7), hexadecamethylcyclooctasiloxane (D8) and their linear homologues and any desired compounds Mixtures of the aforementioned compounds.
  • the notation D3, D4, D6, D7 and D8 comes from a notation introduced by General Electric Inc. in which "D" represents the group [(CH 3 ) 2 Si] -0- The notation is familiar to those working in the field.
  • Octamethylcyclotet- rasiloxan is currently preferred.
  • the polyalkylsiloxane compound is octamethylcyclotetrasiloxane (D4).
  • the feedstock is not previously subjected to any upstream, separate purification process. This means that the feed is preferably not subjected to a process in which an impurity is removed from the commercially available product.
  • the process of the invention is characterized in that the liquid feed of the at least one potymerisierbaren polyalkylsiloxane is exposed before and / or during the evaporation of any solid phase extraction.
  • the feedstock is preferably not subjected to liquid Z solid phase extraction. It has surprisingly been found that quartz glass with a high controllability and reproducibility can nevertheless be produced by the process according to the invention. In particular, by the fact that an additional cleaning step can be omitted, costs can be achieved by saving time and reducing downtimes by the inventive method or the device described below.
  • the feedstock is not subjected to liquid Z solid phase extraction in particular, it can be avoided that additional impurities from the solid phase enter the feedstock, as explained in greater detail above.
  • the evaporation of the feed can be done with or without the presence of a carrier gas component.
  • the evaporation of the Einsatematerials in estate unit of a carrier gas since the evaporation can be carried out at temperatures below the boiling point of the polyalkylsiloxane.
  • the feedstock vapor preferably additionally comprises a carrier gas.
  • the inert gas is preferably chemically inert and is more preferably nitrogen or argon.
  • oxygen may also be used as the carrier gas.
  • the molar ratio of the polymerizable polyalkylsiloxane compound to the carrier gas is preferably in the range from 0.01 to 2, particularly preferably in the range from 0.02 to 1.5, very particularly preferably in the range from 0.05 to 1.25.
  • the carrier gas used is nitrogen having a moisture content of less than 40 ppm by volume and as the polyalkylsiloxane compound OMCTS. It is further preferred that the molecular ratio of OMCTS to nitrogen be in the range of 0.015 to 1.5.
  • the process step of evaporation is known per se to the person skilled in the art.
  • the polyalkylsiloxane compound is preferably converted into a vapor phase at temperatures between 120 and 200 ° C.
  • the evaporation temperature in the evaporation chamber should always be at least a few degrees above the dew point of the polyalkylsiloxane compound. The dew point in turn depends on the selected molecular ratio of polyalkylsiloxane compound and carrier gas.
  • the polyalkylsiloxane is preheated before evaporation to temperatures between 40 and 20 ° C and then sprayed into a vaporization chamber, which has a higher temperature than the preheating of the starting materials.
  • the inert carrier gas can be preheated to temperatures of up to 250 ° C. before it is fed to the vaporization chamber. It is advantageous that the temperature in the evaporation chamber is always above the dew point temperature of the mixture of polyalkylsiloxane and carrier gas on average. Suitable evaporation processes are z. For example, in International Patent Applications WO 2013/087751 A and WO 2014/187513 A and German Patent Application DE 10 2013 209 673 A described. In the context of the invention, the term "dew point" describes the temperature at which an equilibrium state of condensing and evaporating liquid sets.
  • evaporation is understood to mean the process in which the feedstock is essentially converted from the liquid phase to a gaseous phase, which is preferably done by using temperatures above the dew point, as described above
  • a feedstock vapor is generated, which preferably contains not less than 97% of olefinic acid %, preferably not less than 98 mol%, more preferably not less than 99 mol%, most preferably not less than 99.9 mol%, of gaseous constituents.
  • process step (a) The feedstock vapor produced by process step (a) is subsequently fed to process step (b).
  • Process Step (b) - Purification of the Feedstock Steam
  • the feedstock vapor resulting from process step (a) is passed through at least one purifier to purify the feedstock vapor.
  • the cleaning device of process step (b) comprises a membrane filter which is heated to a temperature of 130 to 210 ° C.
  • the temperature at which the membrane filter is heated is the temperature of the filter membrane and / or of the support body, in which the membrane is held or carried mechanically stable.
  • the temperature selection for the operation of the corresponding membrane is targeted, since it has been found according to the invention that when the temperature is too cold, ie in particular the temperature falls below 130 ° C, the vaporized polyalkylsiloxane condenses again.
  • the dew point of the vaporized polyalkyl siloxane depends on the molar ratio of the amount of carrier gas used and the vaporized polyalkyl siloxane and the absolute pressure present in the evaporation system. If the dew point on the membrane filter is not reached, the membrane is covered with a liquid film and blocks the flow of vapor.
  • the membrane filter is heated to a temperature of 140 to 190 ° C. Furthermore, regardless of the temperature, it is preferable that the membrane filter is heated to a temperature higher than the dew point of the polyalkylsi used by 3 to 80 ° C, especially 3 to 60 ° C, more preferably 7 to 40 ° C - Loxanitati which sets in the steam like isch from inserted carrier gas and vaporous polyalkylsiloxane compound, otherwise a permanent use of the membrane in a continuous process can not be guaranteed.
  • Membrane filter up to 0.5 ⁇ , more preferably to 0.2 per, even more preferably to 0.02 pm.
  • the membrane filter comprises at least one material selected from the group consisting of polytetrafluoroethylene, perfluoroalkoxy polymers (PFA), perftuoralkoxyvinyl ethers or polyethersulfones, or consists of one or more of the abovementioned materials.
  • PFA perfluoroalkoxy polymers
  • a commercially suitable membrane system is, for example, the membrane filter UttiKleen TM -CDS filter from Fall Microelectronics.
  • the membrane filters which are suitable according to the invention can be adapted to the appropriate apparatus used with measures conventionally known to the person skilled in the art.
  • membrane filters are used which have an average maximum thickness of the membrane filter parallel to the flow direction of the feed gas stream of less than 200 pm, more preferably less than 100 pm, even more preferably less than 50 pm.
  • the membrane area should be as large as possible, since more polymers can be accommodated with increasing membrane area.
  • Particular preference is given to choosing a membrane size which ensures a throughput of 0.5 to 500 kg / h per m 2 membrane area, more preferably from 1 to 400 kg / h per m 2 membrane area, based on OMCTS.
  • the pressure difference at the filter membrane between the retentate and permeate side is less than 800 mbar, more preferably less than 600 mbar, even more preferably less than 400 mbar. It has been found that if the differential pressure between the retentate and permeate side is too high, there is a risk that the "mobile" polymers retained on the membrane will be virtually pushed through the membrane ensure that the differential pressure between the retentate and permeate side is not too high and preferably lies within the ranges defined above.
  • the process of the present invention results in polymer formation of substantially highly crosslinked polymers and substantially less highly crosslinked polymers. While the essentially highly crosslinked polymers usually stick in the evaporator region, forming, for example, on the tube wall or evaporator wall as a sticky, rubbery layer or mass, the less crosslinked polymers still have sufficient mobility and can be conveyed further in the vapor stream. and get to the sensitive chokes and control valves.
  • the inventive method is therefore particularly suitable for the removal of substantially less strongly crosslinked polymers from the feedstock vapor in the production of quartz glass.
  • the process according to the invention is suitable in particular for the separation of polymethylsiloxanes which are formed from the high-boiling trace impurities under A), as defined above.
  • the inventive method is particularly suitable for the separation of polymethylsiloxanes, which arise from the reaction of trace impurities B) and C) with the starting material.
  • the polymethylsiloxanes according to the first and second embodiments which are to be removed by the process according to the invention preferably have a molecular weight of 500 to 1800 g / mol. Normally, it would be expected that polyalkylsiloxanes having such molecular weights in the gas phase would pass through the membrane provided by the invention.
  • the polyalkylsiloxanes resulting from the reaction of trace impurities B) and C) are retained in the form of microdroplets on the membrane, possibly due to the very low vapor pressure, and are formed with increasing residence time of polymers stick to the membrane. After a sufficiently long period of use, surface deposits of polymer films consisting of polyalkylsiloxanes are found on the membrane.
  • these polymethylsiloxanes crosslink at the membrane with increasing because of further polymethylsitoxanes with molecular weights of preferably more than 1800 g / mol.
  • These oligomeric or polymeric polymethylsitoxanes are usually cyclic as well as linear polyalkysiloxanes. They may be cyclic polymethylsiloxanes, for example D8, D9, D10, and D11. However, they can also be linear polymethylsiloxanes whose terminal Si atoms can be, for example, a trimethylsilyl group or a dimethylsiianol group.
  • the use of a corresponding membrane filter is particularly durable and particularly affected by a only slight pressure drop across the packing the entire process flow of the quartz glass setting only minimal. The thus rarely required change of the membrane filter leads to low downtime.
  • the cleaning device is simple in terms of apparatus and can even be subsequently integrated into existing devices for quartz glass production.
  • the flow velocity of the feedstock vapor from process step (a) into the purification step with the membrane filter is preferably 0.01 to 2 m / s, particularly preferably 0.02 to 1 m s. At these speeds, despite the high throughput still a good cleaning performance can be achieved.
  • the feedstock vapor in process step (b) should have a temperature of more than 100.degree. C., preferably more than 120.degree. C. and particularly preferably more than 130.degree. This ensures that the feed essentially remains in the vapor form.
  • this additional equipment heaters may be provided to ensure this temperature of the feedstock vapor.
  • the mobile polymeric secondary products resulting from the reaction of the trace impurities B) and C) with the feedstock are predominantly retained on the membrane, so that subsequently significantly less interfering deposits can deposit on the sensitive throttles and control valves.
  • a feed vapor can be provided which has a reproducibly constant composition.
  • process step (c) the purified feedstock vapor resulting from process step (b) is passed to a reaction zone in which the feedstock vapor is converted to Si0 2 particles by oxidation and / or by hydrolysis.
  • This process step corresponds in particular to a known soot process or a known direct glazing process.
  • the possible embodiments are known to the person skilled in the art
  • process step (d) the SiO 2 particles resulting from process step (c) are deposited on a deposition surface.
  • the possible embodiments are known to the person skilled in the art.
  • Process step (e) optionally drying and vitrification
  • process step (e) the SiO 2 particles resulting from process step (d) are optionally dried and vitrified to form synthetic quartz glass.
  • This method step is necessary in particular if the previously performed method steps have been carried out according to a soot method.
  • the possible embodiments are known to the person skilled in the art.
  • the process according to the invention is also suitable for the production of synthetic quartz glass by "direct glazing.”
  • the optional process step (e) is dispensed with in the case of "direct glazing”.
  • the method according to the invention is also suitable for the production of quartz glass according to the "soot method” in which the temperature during the deposition of the Si0 2 particles in method step (d) is so low that a porous Si0 2 soot layer is obtained, which is dried and glazed in the separate process step (e) to synthetic quartz glass.
  • the inventive method is suitable for the production of synthetic quartz glass, which is carried out as an external or mecanicabschetdeclar. If that According to the method is carried out as notedabscheideclar, it is preferably an OVD method (outside vapor phase deposition), VAD process (vapor phase axial deposition) or PECVD process (Plasma Enhanced Chemical Vapor Deposition). If the process according to the invention is carried out as an internal separation process, this is preferably a MCVD process (Modified Chemical Vapor Deposition).
  • an apparatus for producing a fused silica glass characterized by the following components: at least one evaporator zone 1 for vaporizing at least one feedstock containing at least one polymerizable polyalkylsiloxane compound to form a feedstock vapor; at least one cleaning device 2 into which the feed vapor resulting from the at least one evaporator zone 1 is fed and which comprises a membrane filter; at least one reaction zone 3 into which the purified feedstock vapor resulting from the at least one purification device 2 is passed and in which the feedstock is converted to Si0 2 particles by pyrolysis or by hydrolysis; and at least one deposition zone 4 with a deposition zone for the resulting from the reaction zone 3 Si0 2 particles to form synthetic silica glass.
  • the device according to the invention preferably serves to carry out the method according to the invention.
  • all preferences described above, which have spatially physical characteristics, are also preferred for the device according to the invention.
  • the device according to the invention is explained below by way of example with reference to FIG.
  • the device according to the invention comprises at least one evaporator zone 1.
  • at least one feedstock containing at least one polymerizable polyalkyisiloxane compound is vaporized to form a feedstock vapor.
  • the feedstock described above can be used in all individual or combined embodiments as feedstock.
  • the evaporator zone 1 thus comprises a feed line 5 for the at least one feedstock.
  • the evaporator zone may also comprise a supply line 6 for an inert gas.
  • evaporation zone 1 there is the transfer of the liquid feedstock in the gas phase to form a feedstock vapor.
  • the person skilled in the designs of such an evaporation zone are known
  • the cleaning device 2 may comprise a control device for measuring and / or adjusting the feed vapor velocity. Furthermore, the pressure loss before and after the cleaning device of the membrane filter can be measured. It is also possible to draw conclusions about the state of the cleaning device 2 about the data obtained by the control device and, if necessary, to recognize the need for replacement or cleaning.
  • the cleaning device 2 may furthermore preferably comprise at least one temperature control unit. This is to ensure that the feedstock vapor in the at least one cleaning device 2 in the gas phase, at a temperature above 100 ° C, preferably above 120 ° C, is maintained.
  • the membrane filter is preferably located in a temperature-resistant housing, which preferably consists of stainless steel and which is connected on the input side via a pipe to the evaporator. Behind the membrane filter then come the dosing and / or regulating devices, which then supply the Abscheidebrenner with the raw material. When several burners are used in the deposition process, the deposition of the deposition burners with the vaporous raw material takes place via a distribution system.
  • the feedstock vapor from the evaporator zone 1 is fed into the cleaning device 2 in substantially straight paths.
  • the at least one reaction zone 3 of the device according to the invention is known in the art to the person skilled in the resulting from the at least one cleaning device 2 purified feed material vapor and in her the feed is reacted by oxidation and / or by hydrolysis to Si0 2 particles.
  • an embodiment according to the direct glazing method described above or the soot method can be provided.
  • the at least one deposition zone 4 with a deposition zone for the SiO 2 particles resulting from the reaction zone 3 is also known per se to a person skilled in the art.
  • a membrane filter for purifying a feedstock vapor containing at least one polymerizable polyalkylsucano compound.
  • the membrane filter can preferably be all individual or combined embodiments described above.
  • the membrane filter is particularly suitable for the separation of Polymethyisiloxanen, arising from the high-boiling trace impurities under A), as defined above.
  • the inventive method is particularly suitable for the separation of Polymethyisiloxanen »from the reaction of trace impurities B) and C), as defined above, arise with the feedstock.
  • the polymethylsiloxanes to be separated according to the first and second embodiments preferably have a molecular weight of 500 to 1800 g / mol.
  • these polymethylsiloxanes crosslink on the membrane with increasing residence time further to polymethyisiloxanes having molecular weights of preferably more than 1800 g / mol.
  • These oligomeric or polymeric polymethyisiloxanes are usually cyclic as well as linear siloxanes. They may be cyclic polymethylsiloxanes, for example D8, D9, D10, and D11. However, they may also be linear polymethylsiloxanes whose terminal Si atoms may be, for example, a trimethylsilyl group or a dimethylsilanol group. Quartz glass
  • synthetic quartz glass which is obtainable by the method according to the invention.
  • the quartz glass thus obtained has a homogeneity and reproducibility resulting from the efficient purification of the feedstock vapor.
  • the liquid feed material OMCTS is vaporized together with nitrogen as the carrier gas which has been preheated to 180 ° C. in an evaporator according to the embodiment of International Patent Application PCT / EP2012 / 075346 at 170 ° C.
  • the composition of the nitrogen-nitrogen OMCTS vapor mixture is adjusted so that the dew point of OMCTS is 125 ° C under the selected process conditions.
  • the vaporized feedstock is passed via heated lines at 175 ° C through a membrane filter heated to a temperature specified in the table below.
  • the pressure difference across the filter is monitored, the maximum pressure difference before and after the membrane no longer 800 mbar, preferably not more than 500 mbar, should be exceeded.
  • Membrane filter ter after the evaporation of 2 to OMCTS in the combination of 2 to OMCTS ibrenner method
  • the deposits in the evaporator system behind the membrane filter are a measure of the effectiveness of the membrane filter, with the effectiveness measured after evaporation of 2 to OMCTS a) in the form of polymeric deposits visually apparent in the steam distribution system behind the filter; and b) in the form of O D variations on the glazed product in the multi-burner.
  • the membrane Above 210 ° C, the membrane is expected to shrink and / or be partially destroyed over time due to thermal stress. Below 130 ° C, there is the risk that condensates on the membrane will precipitate as a result of dew point undershoots. The membrane is then wetted by liquid and then can no longer work.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas durch Verdampfen eines Einsatzmaterials, das mindestens eine polymerisierbare Polyalkylsiloxanverbindung enthält, und Zuführen des Einsatzmaterialdampfes zu einer Reaktionszone, in dem der Einsatzmaterialdampf durch Oxidation und/oder durch Hydrolyse zu SiO2 -Partikeln umgesetzt wird. Der Einsatzmaterialdarnpfwird durch einen Membranfilter als Reinigungsvorrichtung durchgeleitet, um die Gelbildung bei der Herstellung von synthetischem Quarzglas zu reduzieren.

Description

VERFAHREN UND VORRICHTUNG ZUR HERSTELLUNG VON QUARZGLAS AUS EINER POLYMERISIERBAREN POLYALKYLSILOXANVERBINDUNG MIT MEMBRANFILTER ALS
REINIGUNGSVORRICHTUNG
Beschreibung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas sowie eine Vorrichtung zur Herstellung von synthetischem Quarzglas, die im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens verwendet werden kann. Das erfindungsgemäße Verfahren und die erfindungsgemäße Vorrichtung sind durch einen speziellen Membranfilter gekennzeichnet.
Zur Herstellung von synthetischem Quarzglas werden aus einer siliziumhattigen Ausgangssubstanz in einem CVD-Verfahren durch Hydrolyse oder Oxidation Si02-Partikel erzeugt und auf einem sich bewegenden Träger abgeschieden. Es kann dabei zwischen Außen- und Innenabscheideverfahren unterschieden werden. Bei Außenabscheideverfahren werden die Si02-Partikel auf der Außenseite eines rotierenden Trägers aufgebracht. Als Beispiele für entsprechende Außenabscheideverfahren seien das so genannte OVD- Verfahren (Outside Vapour Phase Deposition), das VAD-Verfahren (Vapour Phase Axial Deposition) oder das PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition) genannt. Als bekanntestes Beispiel für ein Innenabscheideverfahren sei das MCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapour Deposition) genannt, bei dem auf der Innenwandung eines von außen erhitzten Rohres SiCvPartikel abgeschieden werden.
Bei hinreichend hoher Temperatur im Bereich der Trägeroberfläche kommt es zu einem un- mittelbaren Verglasen der SiCv-Partikel, was auch als„Direktverglasen" bekannt ist. Im Unterschied dazu ist beim so genannten„Sootverfahren" die Temperatur beim Abscheiden der SiCyPartikel so niedrig, dass eine poröse Si02-Sootschicht erhalten wird, die dann in einem separaten Verfahrensschritt zu transparentem Quarzglas gesintert wird. Sowohl das Direkt- verglasungsverfahren als auch das Sootverfahren führen zu einem dichten, transparenten, hochreinen, synthetischen Quarzglas.
Aus dem Stand der Technik ist als siliziumhaltiges Einsatzmaterial für die Herstellung von synthetischem Quarzglas beispielsweise Siliziumtetrachlorid (SiCI4) bekannt. Siliziumtetrachlorid und andere analoge chlorhaltige Substanzen zeigen bei moderaten Temperaturen unter 100 °C bereits ausreichend hohe Dampfdrücke, so dass etwaige Verunreinigungen üblicher- weise in der Flüssigphase verbleiben und die Herstellung von hochreinen Sootkörpern erleichtert wird. Allerdings ist bekannt, dass bei der Verdampfung des Siliziumtetrachlorids teilweise Flüssigkeitstropfen mit dem verwendeten Inertgasstrom mitgerissen werden und bis zum Erreichen der Reaktionszone nicht vollständig verdampfen. Damit gelangen die in der Flüssigphase enthaltenen Verunreinigungen letztendlich dennoch in den Sootkörper und verschlechtern damit die Qualität des daraus hergestellten Quarzglases. Bei den Verunreinigungen handelt es sich normalerweise um Metalle.
Ein weiterer Nachteil der chlorhaltigen Einsatzmaterialien wie Siliziumtetrachlorid ist, dass bei deren Umsetzung zu synthetischem Quarzglas Salzsäure entsteht, die hohe Kosten bei der Abgaswäsche und Entsorgung verursacht. Grundsätzlich werden daher beim Einsatz von Siliziumtetrachlorid Vorrichtungen verwendet, welche den Eintrag von Feuchtigkeit vermeiden. Dies reduziert zum einen die Bildung von Salzsäure und zum anderen wird die Bildung von Kieselsäure vermieden. Diese Vorgehensweise ist dem Fachmann vertraut.
Um diese Anforderungen zu umgehen, wurde in der Vergangenheit eine Vielzahl sogenannter chlorfreier Organosiliziumverbindungen als Ausgangsmaterial für die Quarzglasherstel- lung erprobt. Als Beispiel seien Monosilane, Alkoxysilarte, Siloxane und Silazane genannt. Eine besonders interessante Gruppe dieser sogenannten chlorfreien Organosiliziumverbindungen bilden die Polyalkylsiloxane (auch kurz als„Siloxane" bezeichnet), die beispielsweise aus der DE 30 16 010 A1 bekannt sind. Insbesondere die unter die Polyalkylsiloxane subsumierbaren zyklischen Polyalkylsiloxane zeichnen sich durch einen besonders hohen Anteil an Silizium pro Gewichtsanteil aus, was zur Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes bei der Herstellung von synthetischem Quarzglas beiträgt. Aufgrund der großtechnischen Verfügbarkeit in hoher Reinheit wird insbesondere Octamethylcyclotetrasiloxan (OMCTS) eingesetzt.
Derartige Po!yalkylsiloxanverbindungen sind polymerisierbar und liegen im Einsatzmaterial in Reinform oder als Gemisch mit anderen Komponenten typischerweise in flüssiger Form vor. Dabei können diese Verbindungen in Spuren auch polymerisierbare Silanole enthalten. Die Po!yalkyisiloxanverbindungen können dem Verbraucher, wie etwa einem Abscheidebrenner, in flüssiger Form zugeführt und am Brennerausgang bzw. in der Flamme versprüht werden. In der Regel wird das flüssige Einsatzmaterial aber mittels eines Verdampfers in eine gasförmige oder dampfförmige Phase überführt und dem Verbraucher als kontinuierlicher Gasstrom über ein Leitungssystem zugeführt.
Basierend auf diesen sogenannten chlorfreien Ausgangsmaterialien sind in dem Stand der Technik einige Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas beschrieben. Bei- spielsweise wird auf die Druckschritten EP 0 760 373 A, WO 99/15468 A, WO 99/54259 A, WO 2013/092553 A und EP 0 529 189 A verwiesen.
Im grundlegenden Unterschied zu den oben beschriebenen Verfahren, bei denen die niedermolekularen metallischen Verunreinigungen im Siliziumtetrachlorid die Qualität des resul- tierenden Quarzglases mindern und gleichzeitig der Eintrag von Feuchtigkeit vermieden wird, bringt die Verwendung von Polyalkylsiloxanen jedoch andere Problematiken in Bezug auf mögliche Einflüsse von Verunreinigungen des Ausgangsmaterials auf die Qualität des resultierenden Quarzglases mit sich. Grundsätzlich ist Siliziumtetrachlorid thermisch stabiler als die cyclischen Polyaiklysiloxane und ihr Siedepunkt ist viel niedriger. Dagegen regieren die cyclischen Polyalkylsiloxane bei Raumtemperatur nahezu nicht mit Feuchtigkeit, Eines der Hauptprobleme bei der Verwendung von cyclischen Polyalkylsiloxanen liegt jedoch darin, dass unter den anzuwendenden Verdampfungsbedingungen Polymerisationen unter Ausbildung von gelartigen und gummiartigen Rückständen stattfinden. Wie oben bereits dargelegt, ist es bekannt, dass Polyalkylsiloxane in Spuren polare Verunreinigungen wie Wasser, Sila- nole und manchmal auch polymerisations-katalytisch wirkende Spurenbestandteile (z. B. Lewis Säuren oder Lewis-Basen) enthalten können. Diese Verunreinigungen können im Fall der Silanole unter Verdampfungsbedingungen entweder mit sich selbst unter Ausbildung von Polymeren reagieren oder mit der Ausgangsverbindung Ringöffnungsreaktionen initiieren, Dies führt letztlich zur Bildung der genannten polymeren Siloxanrückstände und Gele. Diese Polymere und Gele verbleiben üblicherweise im Verdampfer, in den Dampfleitungen, Regelventilen, Drosseln, sonstigen Gasdosiereinrichtungen und Leitungen zurück und konzentrieren sich hier auf. Dies kann zu einer massiven Beeinträchtigung des Regelverhaltens der Stoffströme führen. Eine reproduzierbare Prozessführung wird damit massiv erschwert. Im Extremfall führt dies sogar zu Verstopfungen. Beide Auswirkungen erhöhen die Stillstands- zeit für Wartungs- und Reinigungsschritte -, wodurch ein Verfahren unter Verwendung von" Polyalkylsiloxanen entsprechende Kosten mit sich zieht.
Zum anderen haben diese Rückstände auch negative Auswirkungen auf die Eigenschaften des resultierenden Quarzglases, da die Gleichverteilung der Massenströme des Einsatzmaterialdampfes unkontrollierbar und damit nicht reproduzierbar beeinflusst wird. Damit werden die radiale und axiale Dichtevariation im Soot und die Variation im Chlorgehalt im nachfolgenden Dehydratisierungs- bzw. Chlorierungsschritt erhöht. Weiterhin führen derartige Rückstände zu einer Erhöhung der Außendurchmesser-Variation in einem Multibrennerver- fahren. Dies wiederum hat Auswirkung auf den Ausschuss verbunden mit entsprechenden Materialverlusten. Die Folge ist eine schlechtere Prozesseffizienz verbunden mit erhöhten Herstellungskosten. Zusätelich kommt hinzu, dass das Ausgangsmateria! an sich meist schon gewissen Chargenschwankungen unterliegt» die zwar im ppm-Bereich liegen, aber dennoch zu der oben beschriebenen mangelnden Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit des Prozesses beitragen. Auch haben Rohmaterialen unterschiedlicher Hersteller unter- schiedliche Verunreinigungen/Verunreinigungsgrade, so dass keine Kontrolle über die Qualität des resultierenden Quarzglases gewährleistet ist.
Die Folge ist eine schlechtere Prozesseffizienz verbunden mit erhöhten Herstellungskosten. Zusätzlich kommt hinzu, dass das Ausgangsmaterial an sich meist schon gewissen Chargenschwankungen unterliegt, die zwar im ppm-Bereich liegen, aber dennoch zu der oben beschriebenen mangenden Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit des Prozesses beitragen. Als weiteren Stand der Technik, welcher das Problem der Gelbildung bei dem Verdampfen von Polyalkylsiloxanen betrifft, sind zu nennen US 5,879,649, EP 1 094 990 A, WO 2013/092553 A, EP 0 463 045 A, US 5,970,751 , und US 2012/0276291 A.
Zur Lösung des Problems der Gelbildung schlägt die US 5,558,687 vor, die Polyalkylsiloxan- Komponente zunächst zu versprühen und dabei teilweise flüssig auf ein Packungsmaterial aufzubringen. Eine ähnliche Verfahrensweise wird in EP 0 785 845 A im Zusammenhang mit der Verwendung von Siliziumtetrachlorid beschrieben.
Die im Stand der Technik aufgezeigten Lösungsmöglichkeiten sind bisher immer noch nicht befriedigend und daher stellt sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein erfindungsge- mäßes Verfahren bereitzustellen, mit welchem die Gelbildung bei der Herstellung von synthetischem Quarzglas reduziert wird.
Des Weiteren steift sich die vorliegende Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Herstellung von synthetischem Quarzglas bereitzustellen, bei welchen die Massenströme des Einsatzmaterialdampfes im Wesentlichen kontrollierbar und damit reprodu- zierbar sind.
Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung von synthetischem Quarzglas, bei welchen insbesondere die radiale und axiale Dichtevariation im Soot und die Variation im Chlorgehalt im nachfolgenden Dehydratisierungs- bzw. Chlorierungsschritt erniedrigt werden. Eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung eines Verfahrens und einer Vorrichtung zur Herstellung von synthetischem Quarzglas, bei welchen insbesondere die Außendurchmesser-Variation in einem Muttibrennerverfahren verringert wird.
Gelöst werden diese Aufgaben durch das im Folgenden beschriebene erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas sowie die erfindungsgemäße Vor- richtung, die in dem Verfahren Verwendung findet und die ebenfalls nachstehend beschrieben wird.
Erfindungsgemäß wird ein Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas bereitgestellt, welches die folgenden Verfahrensschritte umfasst:
(a) Verdampfen eines Einsatzmaterials, das mindestens eine polymerisierbare Poly- alkylsiloxanverbindung enthält, unter Bildung eines Einsatzmaterialdampfes;
(b) Durchleiten des aus Verfahrensschritt (a) resultierenden Einsatzmaterialdampfes durch mindestens eine Reinigungsvorrichtung, um den Einsatzmaterialdampf zu reinigen;
(c) Zuführen des aus Verfahrensschritt (b) resultierenden gereinigten Einsatzmaterialdampfes zu einer Reaktionszone, in dem der Einsatzmaterialdampf durch Oxi- dation und/oder durch Hydrolyse zu Si02-PartikeIn umgesetzt wird; und (d) Abscheiden der aus Verfahrensschritt (c) resultierenden SiQ2-PartikeI auf einer
Ablagerungsfläche; und
(e) gegebenenfalls Trocknen und Verglasen der aus Verfahrensschritt (d) resultierenden Si02-Partikel unter Bildung von synthetischem Quarzglas. Das erfindungsgemäße Verfahren ist dann dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Polyalkylsiloxanverbindung in dem Verfahrensschritt (b) durch einen Membranfilter geleitet wird, der auf eine Temperatur von 130 bis 210 °C erwärmt ist.
Es wurde überraschenderweise festgestellt, dass der Einsatz eines Membranfilters, der bei einer Temperatur von 130 bis 210 °C betrieben wird, dazu führt, dass die Neigung des Ein- satzmaterialdampfes, zu polymerisieren und/oder Gele zu bilden, reduziert wird. Dies ist insbesondere überraschend, als dass im Stand der Technik beschrieben wird, dass zum einen die die Polymerisation verursachenden Verunreinigungen nicht flüchtig sind und daher aus der flüssigen Phase abgetrennt werden müssen. Zum anderen ist dies überraschend, da die oligomeren und/oder poiymeren Bestandteile, welche bei der Verdampfung entstanden sind» durch die Verwendung eines Membranfilters insoweit abgetrennt werden können, ohne dass der Membranfilter einer Verstopfung durch Polymerablagerungen und/oder Gelbildung unterliegt.
Dies führt überraschenderweise dazu, dass insgesamt der Druckabfall über den Membranfilter gering, insbesondere verfahrenstechnisch und wirtschaftlich sinnvoll bieibt, und dass auf einen aufwendigen, vorgeschalteten Flüssigkeits-/Feststoff-Extraktionsprozess in der flüssigen Phase verzichtet werden kann.
Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird vermutet, dass verschiedene Arten von Spurenverunreinigungen im Einsatzmaterial enthalten sind, die Rückstände im Verdampfer und in der Dampfleitung verursachen können. A) Hochsiedende Spurenverunreinigungen
Diese sind dadurch gekennzeichnet, dass sie sich viel schwerer Verdampfen lassen und aufgrund ihres sehr geringen Dampfdruckes bzw. geringen Taupunkts im Verdampfer und in den Verdampferleitungen zurückbleiben können und sich bei langer Verweilzeit im Dampfleitungssystem zu gelartigen Rückständen verlinken. B) Polare Spurenverunreinigungen
Solche reaktiven Spurenverunreinigungen können zum Beispiel die oben genannten Silanole darstellen. Diese Spurenverunreinigungen können aufgrund ihrer polaren OH- Gruppen die Ringöffnungsreaktionen der cyclischen Siloxane initiieren. Sie können über eine Kondensationsreaktion mit den cyclischen Hauptbestandteilen zu höher siedenden Verunreinigungen reagieren, die sich dann ebenfalls als gelartige Verunreinigungen in der Dampfleitung anreichern. C) Katalytisch wirkende Spurenverunreinigungen
Reaktive katalytisch wirkende Spurenverunreinigungen sind z. B. Lewis-Säuren und Lewis-Basen, Diese Verbindungen können in Gegenwart von Spuren an Restfeuchte Ringöffnungsreaktionen initiieren. Dies können z. B, auch metallische Spurenverunreini- gurtgen (Metalloxide und/oder Metalihalogenide) sein, die ebenfalls an den Ringöffnungsreaktionen der cyclischen Siloxane teilnehmen. Über weitere Reaktion mit den cyclischen
Hauptbestandteilen können höher siedenden Verunreinigungen entstehen, die sich dann ebenfalls als gelartige Verunreinigungen in der Dampfleitung anreichern.
Die hochsiedenden Spurenverunreinigungen unter A) als auch die polymeren Foigeprodukte, die aus der Reaktion der reaktiven Spurenverunreinigungen unter B) und C) (z. B. Silanole, Lewis-Säuren und Lewis-Basen) mit dem Rohmaterial entstehen und die mobil sind und sich in der Dampfphase an Drosseln, Regelventilen und dergleichen anlagern, lassen sich überraschenderweise und erfindungsgemäß aus dem Rohmaterialdampf besonders effektiv und wirkungsvoll entfernen, wenn das Einsatzmaterial in Form eines Einsatzmaterialdampfes durch eine beheizte Reinigungsvorrichtung geleitet wird, welche einen erfindungsgemäßen Membranfilter aufweist.
Das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die erfindungsgemäße Vorrichtung, die weiter unten beschrieben wird, eignen sich daher insbesondere zur Herstellung von synthetischem Quarzglas, wobei in dem Herstellungsprozess durch den erfindungsgemäßen Membranfilter die hochsiedenden Spurenverunreinigungen unter A) und/oder die polymeren Folgeprodukte, die aus der Reaktion der reaktiven Spurenverunreinigungen unter B) und/oder C) mit dem Rohmaterial entstehen, entfernt werden.
Mittels des erfindungsgemäß vorgesehenen Membranfilters lassen sich somit die hochsiedenden Spurenverunreinigungen unter A) und insbesondere die mobilen polymeren Folge- produkte, die aus der Reaktion der Spurenverunreinigungen B) und C) mit dem Einsatzstoff entstehen, zurückhalten, so dass sich im Nachgang deutlich weniger störende Ablagerungen an den empfindlichen Drosseln und Regelventilen bilden können. Somit lassen sich Chargenunterschiede in den Ausgangsverbindungen ausgleichen, so dass das hergestellte synthetische Quarzglas insgesamt eine gleichbleibend gute Qualität aufweist. Zusammen mit der Tatsache, dass durch die Verminderung und/oder Vermeidung von Polymer- und/oder Gelablagerung in den Dampfleitungen, Regelventilen, Drosseln, sonstigen Gasdosiereinrichtungen und Leitungen insgesamt eine Gleichverteilung der Massenströme erreicht werden kann, kann somit durch den Gegenstand der Eifindung das Verfahren kontrolliert und reproduzierbar durchgeführt werden. Dies führt, wie oben dargelegt, zu einer signifikanten Kostenersparnis.
Im Folgenden werden nun die einzelnen Verfahrensschritte des erfindungsgemäßen Verfah- rens näher erläutert.
Erfindungsgemäß wird unter dem Begriff„umfassen" bevorzugt„bestehen aus" verstanden. Verfahrensschritt (a) - Verdampfen des Einsatzmaterials
Im Verfahrensschritt (a) wird ein Einsatzmaterial, das mindestens eine polymerisierbare Polyalkylsiloxanverbindung enthält, unter Bildung eines Einsatzmaterialdampfes verdampft. Grundsätzlich kann erfindungsgemäß jede polymerisierbare Polyalkylsiloxanverbindung , welche sich zur Herstellung von synthetischem Quarzglas eignet, verwendet werden. Im Rahmen der Erfindung umfasst der Begriff Polyalkylsiloxan sowohl lineare (umfassend auch verzweigte Strukturen) als auch zyklische Molekularstrukturen.
Besonders geeignete cyclische Vertreter sind Polyalkyisiloxane mit der allgemeinen Sum- menformel
SipOp{R)2p, wobei p eine ganze Zahl größer gleich 2 ist. Der Rest„FT ist eine Alkylgruppe, im einfachsten Fall eine Methylgruppe.
Polyalkyisiloxane zeichnen sich durch einen besonders hohen Anteil an Silizium pro Ge- wichtsanteil aus, was zur Wirtschaftlichkeit ihres Einsatzes bei der Herstellung von synthetischem Quarzglas beiträgt.
Die Polyalkylsiloxanverbindung ist dabei vorzugsweise ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Hexamethylcyclotrisiloxan (D3), Octamethylcyclotetrasiloxan (D4), Dekamethylcyc- lopentasiloxan (D5), Dodecamethylcyclohexasiloxan (D6), Tetradekamethylcycloheptasik xan (D7), Hexadecamethylcyclooctasiloxan (D8) sowie deren linearen Homologen und beliebigen Mischungen der vorgenannten Verbindungen. Die Notation D3, D4, D6, D7 und D8 entstammt dabei einer von General Electric Inc. eingeführten Notation, bei der„D" die Gruppe [(CH3)2Si]-0- repräsentiert. Die Notation ist den auf dem Fachgebiet tätigen Personen bekannt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung können auch Mischungen der vorgenannten Polyal- kylsiloxanverbindungen verwendet werden.
Wegen der großtechnischen Verfügbarkeit in hoher Reinheit wird derzeit Octamethylcyclotet- rasiloxan (OMCTS) bevorzugt eingesetzt. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es daher insbesondere bevorzugt, wenn es sich bei der Polyalkylsiloxanverbindung um Octame- thy!cyclotetrasiloxan (D4) handelt. Grundsätzlich ist es möglich, dass das Einsatzmaterial vor dem Einbringen in den Verfahrensschritt (a) einer Aufreinigung unterzogen wird. Dem Fachmann sind solche Aufreinigungsverfahren bekannt. In einer bevorzugten Ausführungsform wird das Einsatzmaterial jedoch zuvor keinem vorgeschalteten, gesonderten Aufreinigungsverfahren unterzogen. Dies bedeutet, dass das Einsatzmaterial bevorzugt keinem Verfahren unterworfen wird, bei dem aus dem kommerziell erhältlichen Produkt eine Verunreinigung entfernt wird. Bevorzugt wird dabei keine der Verunreinigungen A) bis C), wie oben beschrieben» entfernt. Ganz besonders bevorzugt ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass das flüssige Einsatzmaterial der mindestens einen potymerisierbaren Polyalkylsiloxanverbindung vor und/oder während der Verdampfung keiner Festphasenextraktion ausgesetzt wird. Dabei wird das Einsatzmaterial bevorzugt keiner Flüssig-ZFestphasenextraktion unterzogen. Es hat sich überraschenderweise herausgestellt, dass durch das erfindungsgemäße Verfahren dennoch Quarzglas mit einer hohen Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit hergestellt werden kann. Insbesondere dadurch, dass ein zusätzlicher Reinigungsschritt entfallen kann, können durch das erfindungsgemäße Verfahren bzw. die weiter unten beschriebene erfin- dungsgemäße Vorrichtung Kosten durch Zeitersparnis und Reduzierung der Stillstandszeiten erzielt werden.
Zudem kann, wenn das Einsatzmaterial insbesondere keiner Flüssig-ZFestphasenextraktion unterzogen wird, vermieden werden, dass, wie oben näher erläutert, zusätzliche Verunreinigungen aus der Festphase in das Einsatzmaterial gelangen. Die Verdampfung des Einsatzmaterials kann mit oder ohne Anwesenheit einer Trägergas- Komponente erfolgen. Bevorzugt erfolgt die Verdampfung des Einsatematerials in Anwesen- heit eines Trägergases, da dadurch die Verdampfung bei Temperaturen unterhalb des Siedepunktes der Polyalkylsiloxanverbindung erfolgen kann. Dies bedeutet, dass der Einsatzmaterialdampf bevorzugt zusätzlich ein Trägergas umfasst. Eine solche Vorgehensweise ist bevorzugt, wenn die Verdampfung des Einsatzmaterials unterhalb seines Siedepunktes statt- finden soll. Das Inertgas ist bevorzugt chemisch inert und ist weiter bevorzugt Stickstoff oder Argon, Alternativ kann als Trägergas auch Sauerstoff verwendet werden. Dabei liegt das Mol Verhältnis der pofymerisierbaren Polyalkylsiloxanverbindung zum Trägergas bevorzugt im Bereich von 0,01 bis 2, besonders bevorzugt im Bereich von 0,02 bis 1 ,5 ganz besonders bevorzugt im Bereich von 0,05 bis 1 ,25. Insbesondere ist es bevorzugt, dass als Trägergas Stickstoff mit einem Feuchtegehalt von kleiner 40 Volumen-ppm und als Polyalkylsiloxanverbindung OMCTS eingesetzt wird. Dabei ist es des Weiteren bevorzugt, dass das molekulare Verhältnis von OMCTS zu Stickstoff im Bereich von 0,015 bis 1 ,5 liegt.
Der Verfahrensschritt des Verdampfens ist dem Fachmann an sich bekannt. Dabei wird die Polyalkylsiloxanverbindung je nach gewähltem molekularem Verhältnis der Polyalkyisiloxan- Verbindung und Trägergas vorzugsweise bei Temperaturen zwischen 120 und 200 °C in eine dampfförmige Phase überführt. Dabei sollte die Verdampfungstemperatur in der Verdampfungskammer immer mindestens einige Grad oberhalb des Taupunktes der Polyalkylsiloxanverbindung sein. Der Taupunkt ist wiederum abhängig vom gewählten molekularen Verhältnis aus Polyalkylsiloxanverbindung und Trägergas. In einer bevorzugten Ausführungsform wird dazu die Polyalkylsiloxanverbindung vor dem Verdampfen auf Temperaturen zwischen 40 und 20 °C vorerwärmt und anschließend in eine Verdampfungskammer versprüht, die eine höhere Temperatur als die Vorerwärmung der Einsatzstoffe aufweist. Das inerte Trägergas kann in einer bevorzugten Ausführungsform zusätzlich auf Temperaturen von bis zu 250 °C vorerwärmt werden, bevor es der Verdampfungskammer zugeführt wird. Von Vorteil ist, dass die Temperatur in der Verdampfungskammer im Mittel immer oberhalb der Taupunktstemperatur der Mischung aus Polyalkylsiloxan und Trägergas liegt. Geeignete Verdampfungsverfahren werden z. B. in den Internationalen Patentanmeldungen WO 2013/087751 A und WO 2014/187513 A sowie der deutschen Patentanmeldung DE 10 2013 209 673 A beschrieben. Im Rahmen der Erfindung beschreibt der Begriff„Taupunkt" die Temperatur, bei der sich ein Gleichgewichtszustand von kondensierender und verdunstender Flüssigkeit einstellt.
Bei der Verwendung von Temperaturen unterhalb des Siedepunkts des Einsatzmaterials erfolgt die Verdampfung bevorzugt zusammen mit einem inerten Trägergas. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung wird unter einer„Verdampfung" der Vorgang verstanden, bei der das Einsatzmaterial im Wesentlichen von der flüssigen Phase in eine gasförmige Phase überführt wird. Dies geschieht bevorzugt, indem, wie oben beschrieben, Temperaturen verwendet werden, weiche oberhalb des Taupunktes der polymerisierbaren Polyalkylsiloxanverbindung als Hauptkomponente des Einsatzmateriafs liegen. Dem Fachmann ist dabei bewusst, dass verfahrenstechnisch nicht ausgeschlossen werden kann, dass kleine Flüssigkeitstropfen des Einsatzmaterials mitgerissen werden können. Somit wird im Verfahrensschritt (a) bevorzugt ein Einsatzmaterialdampf erzeugt, welcher vorzugsweise nicht weniger als 97 ol.-%, bevorzugt nicht weniger als 98 Mol.-%, besonders bevorzugt nicht weniger als 99 Mol.-%, ganz besonders bevorzugt nicht weniger als 99,9 Mol.%, gasförmige Bestandteile enthält.
Der durch den Verfahrensschritt (a) erzeugte Einsatzmaterialdampf wird im Anschluss dem Verfahrensschritt (b) zugeleitet.
Verfahrensschritt (b) - Reinigung des Einsatzmaterialdampfes In dem Verfahrensschritt (b) wird der aus Verfahrensschritt (a) resultierende Einsatzmaterialdampf durch mindestens eine Reinigungsvorrichtung durchgeleitet, um den Einsatzmaterialdampf zu reinigen. Dabei umfasst die Reinigungsvorrichtung des Verfahrensschritts (b) einen Membranfilter, der auf eine Temperatur von 130 bis 210 °C erwärmt ist.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung handelt es sich bei der Temperatur, auf welchen der Membranfilter erwärmt ist, um die Temperatur der Filtermembran und/oder des Stützkörpers, in dem die Membran mechanisch stabil gehalten bzw. getragen wird.
Die Temperaturauswahl für den Betrieb der entsprechenden Membran ist zielgerichtet, da sich erfindungsgemäß herausgestellt hat, dass wenn die Temperatur zu kalt ist, d.h. insbesondere die Temperatur von 130 °C unterschreitet, das verdampfte Polyalkylsiloxan wieder kondensiert. Wie dem Fachmann bekannt ist, hängt der Taupunkt des verdampften Polyal- kylsiloxans vom Molverhältnis von eingesetzter Trägergasmenge und verdampften Polyalkyl- siloxans sowie dem vorliegenden Absolutdruck im Verdampfungssystem ab. Bei Unterschreitung des Taupunkts am Membranfilter wird die Membran mit einem Flüssigkeitsfilm belegt und blockiert damit den Dampffluss. Andererseits besteht bei hohen Temperaturen, insbe- sondere bei Temperaturen oberhalb von 210 °C, die Gefahr, dass sich die Struktur der Membran durch thermische Verformung verändert somit unbrauchbar wird. In einer bevorzugten Ausführungsform wird der Membranfilter auf eine Temperatur von 140 bis 190 °C erwärmt. Des Weiteren ist es unabhängig von der Temperatur bevorzugt, dass der Membranfilter auf eine Temperatur erwärmt ist, die um 3 bis 80 °C, insbesondere 3 bis 60 °C, weiter bevorzugt 7 bis 40 °C, höher ist als der Taupunkt der verwendeten Polyalkylsi- loxanverbindung, der sich im Dampf gern isch aus eingesetzter Trägergasmenge und dampfförmiger Polyalkylsiloxanverbindung einstellt, da andernfalls eine dauerhafte Verwendung der Membran in einem kontinuierlichen Verfahren nicht gewährleistet sein kann.
Des Weiteren hat sich als bevorzugt herausgestellt, wenn die mittlere Porengröße des
Membranfilters bis zu 0,5 μιη, weiter bevorzugt bis 0,2 pro, noch weiter bevorzugt bis 0,02 pm, beträgt.
Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es insbesondere bevorzugt, wenn der Membranfilter mindestens ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polytetrafluorethy- len, Perfluoralkoxypolymeren (PFA), Perftuoralkoxyvinylethern oder Polyethersuffonen, um- fasst oder aus einem oder mehreren der vorgenannten Materialien besteht. Ein kommerziell geeignetes Membransystem ist beispielsweise der Membranfilter UttiKleen™-CDS Filter der Firma Fall Microelectronics.
Die erfindungsgemäß geeigneten Membranfilter können mit Hinblick auf ihre Größe mit dem Fachmann üblicherweise bekannten Maßnahmen an die entsprechende verwendete Vorrichtung angepasst werden. Üblicherweise werden Membranfilter verwendet, die eine mittlere maximale Dicke des Membranfilters parallel zur Durchflussrichtung des Einsatzgasstroms von weniger als 200 pm, weiter bevorzugt von weniger als 100 pm, noch weiter bevorzugt von weniger als 50 pm, aufweisen. Erfindungsgemäi ist die Membranfläche so groß wie möglich zu wählen, da mit zunehmender Membranfläche mehr Polymere aufgenommen werden können. Besonders bevorzugt wird eine Membrangröie gewählt, die einen auf OMCTS bezogenen Durchsatz von 0,5 bis 500 kg/h pro m2 Membranfläche, weiter bevorzugt von 1 bis 400 kg/h pro m2 Membranfläche, gewährleistet.
Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es darüber hinaus bevorzugt, wenn die Druckdifferenz an der Filtermembran zwischen Retentat- und Permeatseite weniger als 800 mbar, weiter bevorzugt weniger als 600 mbar, noch weiter bevorzugt weniger als 400 mbar, beträgt. Es hat sich herausgestellt, dass wenn der Differenzdruck zwischen Retentat- und Permeatseite zu hoch ist, die Gefahr besteht, dass die an der Membran zurückgehaltenen „mobilen" Polymere durch die Membran quasi durchgedrückt werden. Deswegen sollte man sicherstellen, dass der Differenzdruck zwischen Retentat- und Permeatseite nicht zu hoch ist und bevorzugt in dem zuvor definierten Bereichen liegt.
Ohne an eine Theorie gebunden sein zu wollen, wird davon ausgegangen, dass es bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zu einer Polymerbildung von im Wesentlichen hochgradig vernetzten Polymeren und im Wesentlichen weniger stark vernetzten Polymeren kommt. Während die im Wesentlichen hochgradig vernetzten Polymere in der Regel im Verdampferbereich festsitzen, sich beispielsweise an der Rohrwandung oder Verdampferwand als klebrige, gummiartige Schicht bzw. Masse ausbilden, weisen die weniger stark vernetzten Polymere eine noch ausreichende Mobilität auf und können im Dampfstrom weiter befördert wer- den und so an die empfindlichen Drosseln und Regelventile gelangen. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich daher insbesondere zu der Entfernung von im Wesentlichen weniger stark vernetzten Polymeren aus dem Einsatzmaterialdampf bei der Herstellung von Quarzglas.
Daher eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren in einer ersten Ausgestaltung insbeson- dere für die Abtrennung von Polymethylsiloxanen, die aus den hochsiedenden Spurenverunreinigungen unter A), wie obenstehend definiert, entstehen.
In einer zweiten Ausgestaltung eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für die Abtrennung von Polymethylsiloxanen, die aus der Reaktion der Spurenverunreinigungen B) und C) mit dem Einsatzstoff entstehen. Die mit dem erfindungsgemäßen Verfahren abzutrennenden Polymethylsiloxane gemäß der ersten und der zweiten Ausgestaltungen weisen vorzugsweise ein Molekulargewicht von 500 bis 1800 g/mol auf. Normalerweise würde man erwarten, dass Polyalkylsiloxane mit derartigen Molekulargewichten in der Gasphase die erfindungsgemäß vorgesehene Membran passieren. Ohne an die Theorie gebunden sein zu wollen, wird jedoch vermutet, dass die aus der Reaktion der Spurenverunreinigungen B) und C) hervorgehenden Polyalkylsiloxane, möglicherweise aufgrund des sehr niedrigen Dampfdruckes, in Form von Mikrotröpfchen an der Membran zurückgehalten werden und mit zunehmender Verweilzeit unter Ausbildung von Polymeren an der Membran haften bleiben. Nach hinreichend langer Einsatzzeit findet man auf der Membran flächige Ablagerungen von Polymerfilmen, bestehend aus Polyakylsi- loxanen.
Insbesondere diese Polymethylsiloxane vernetzen an der Membran mit zunehmender Ver- weilzeit weiter zu Polymethylsitoxanen mit Molekulargewichten von vorzugsweise mehr als 1800 g/mol. Bei diesen oligomeren bzw. polymeren Polymethylsitoxanen handelt es sich üblicherweise um zyklische als auch lineare Polyalkysiloxane. Es können zyklische Polyme- thylsiloxane sein, beispielsweise D8, D9, D10, und D11. Es können aber auch lineare Poly- methylsiloxane sein, deren endständige Si-Atome beispielsweise eine Trimethylsilyl-Gruppe oder eine Dimethylsiianol-Gruppe sein können.
Während es zu einer guten Aufreioigung des Einsatzmaterialdampfs kommt, wodurch eine Gel- und Polymerbildung innerhalb der nachfolgenden Vorrichtungen vermieden werden kann und was zu einer guten Kontrollierbarkeit und Reproduzierbarkeit der Quarzglasherstel- lung führt, ist die Verwendung eines entsprechenden Membranfilters besonders langlebig und beeinträchtigt insbesondere durch einen nur geringen Druckabfall über die Packung den gesamten Verfahrensablauf der Quarzglaseinstellung nur minimal. Der somit selten erforderliche Wechsel des Membranfilters führt zu geringen Stillstandszeiten. Zudem ist die Reinigungsvorrichtung apparativ einfach und kann sogar in bestehende Vorrichtungen zur Quarz- glasherstellung nachträglich integriert werden.
Erfindungsgemäß beträgt die Anströmgeschwindigkeit des Einsatzmaterialdampfes aus Verfahrensschritt (a) in den Reinigungsschritt mit dem Membranfilter bevorzugt 0,01 bis 2 m/s, besonders bevorzugt 0,02 bis 1 m s. Bei diesen Geschwindigkeiten kann trotz des hohen Durchsatzes noch eine gute Reinigungsleistung erzielt werden. Dabei sollte der Einsatzmaterialdampf im Verfahrensschritt (b) eine Temperatur von mehr als 100 °C, bevorzugt mehr als 120 °C und besonders bevorzugt von mehr als 130 °C aufweisen. Dadurch wird gewährleistet, dass das Einsatzmaterial im Wesentlich in der Dampfform verbleibt. Gegebenenfalls können hierzu apparativ zusätzliche Heizvorrichtungen vorgesehen sein, um diese Temperatur des Einsatzmaterialdampfes zu gewährleisten. Erfindungsgemäß werden insbesondere die mobilen polymeren Folgeprodukte, die aus der Reaktion der Spurenverunreinigungen B) und C) mit dem Einsatzstoff entstehen, an der Membran überwiegend zurückgehalten, so dass sich im Nachgang deutlich weniger störende Ablagerungen an den empfindlichen Drosseln und Regelventilen ablagern können. Insbesondere kann mit dem erfindungsgemäßen Reinigungsschritt (b) ein Einsatzmaterialdampf zur Verfügung gestellt werden, welcher eine reproduzierbar konstante Zusammensetzung aufweist. Dadurch haben insbesondere Chargenschwankungen im flüssigen Einsatzmaterial keinen Einfluss auf die Qualität des resultierenden synthetischen Quarzglases. Verfahrensechritt (c) - Umsetzung des Einsatzmateriaidampfes
Im Verfahrensschritt (c) wird der aus Verfahrensschritt (b) resultierende gereinigte Einsatz- materia!dampf zu einer Reaktionszone geführt, in dem der Einsatzmaterialdampf durch Oxi- dation und/oder oder durch Hydrolyse zu Si02-Partikeln umgesetzt wird. Dieser Verfahrensschritt entspricht insbesondere einem bekannten Sootverfahren oder einem bekannten Direktverglasungsverfahren. Die möglichen Ausgestaltungen sind dem Fachmann bekannt
Verfahrensechritt (d) - Abscheiden der Si02-Partikel
Im Verfahrensschritt (d) werden die aus Verfahrensschritt (c) resultierenden Si02-Partikel auf einer Ablagerungsfläche abgeschieden Die möglichen Ausgestaltungen sind dem Fachmann bekannt.
Verfahrensschritt (e) - gegebenenfalls Trocknen und Verglasen
Im Verfahrensschritt (e) werden die aus Verfahrensschritt (d) resultierenden Si02-Partikel unter Bildung von synthetischem Quarzglas gegebenenfalls getrocknet und verglast. Dieser Verfahrensschritt ist insbesondere dann notwendig, wenn die zuvor durchgeführten Verfahrensschritte gemäß einem Sootverfahren durchgeführt wurden. Die möglichen Ausgestaltungen sind dem Fachmann bekannt.
Insgesamt eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von synthetischem Quarzglas durch„Direktverglasen". Bei diesem Verfahren kommt es auf Grund hinrei- chend hoher Temperaturen bei der Abschetdung der Si02-Partikel im Verfahrensschritt (d) auf einer Ablagerungsfläche zu einem direkten Verglasen der Si02-Partkei. Beim„Direktver- glasen" wird daher auf den optionalen Verfahrensschritt (e) verzichtet. Darüber hinaus eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren auch zur Herstellung von Quarzglas nach dem„Sootverfahren", bei welchem die Temperatur beim Abscheiden der Si02-Partikel im Verfahrens- schritt (d) so niedrig ist, dass eine poröse Si02-Sootschicht erhalten wird, die im separaten Verfahrensschritt (e) zu synthetischem Quarzglas getrocknet und verglast wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich zur Herstellung von synthetischem Quarzglas, welches als ein Außen- oder Innenabschetdeverfahren durchgeführt wird. Wenn das erfin- dungsgemäie Verfahren als Außenabscheideverfahren durchgeführt wird, so handelt es sich bevorzugt um ein OVD- Verfahren (outside Vapour Phase Deposition), VAD-Verfahren (Vapour Phase axial Deposition) oder PECVD-Verfahren (Plasma Enhanced Chemical Vapour Deposition). Wenn das erfindungsgemäße Verfahren als Innenabscheideverfahren durchge- führt wird» so handelt es sich bevorzugt um ein MCVD-Verfahren (Modified Chemical Vapour Deposition).
Vorrichtung
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur Herstellung eines synthetischen Quarzglases bereitgestellt, welche durch die folgenden Bestandteile gekennzeichnet ist: mindestens eine Verdampferzone 1 zum Verdampfen mindestens eines Einsatzmaterials, das mindestens eine polymerisierbare Polyalkylsiloxanverbindung enthält, unter Bildung eines Einsatzmaterialdampfes; mindestens eine Reinigungsvorrichtung 2, in welche der aus der mindestens einen Ver- dampferzone 1 resultierende Einsatzmaterialdampf geführt wird und welche einen Membranfilter umfasst; mindestens eine Reaktionszone 3, in welche der aus der mindestens einen Reinigungsvorrichtung 2 resultierende gereinigte Einsatzmaterialdampf geführt wird und in welcher das Einsatzmaterial durch Pyrolyse oder durch Hydrolyse zu Si02-Partikeln umgesetzt wird; und mindestens eine Abscheidezone 4 mit einer Ablagerungszone für die aus der Reaktionszone 3 resultierenden Si02-Partikel unter Bildung von synthetischem Quarzglas.
Bevorzugt dient die erfindungsgemäße Vorrichtung der Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Damit sind sämtliche oben beschriebenen Bevorzugungen, welche räumlich körperliche Merkmale aufweisen, ebenfalls für die erfindungsgemäße Vorrichtung bevorzugt. Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Vorrichtung beispielhaft mit Bezug auf Figur 1 erläutert. Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst mindestens eine Verdampferzone 1. In dieser Verdampferzone wird mindestens ein Einsatzmaterial, das mindestens eine polymerisierbare Polyalkyisiloxanverbindung enthält, unter Bildung eines Einsatzmaterialdampfes verdampft. Als Einsatzmaterial kann hierbei das oben beschriebene Einsatzmaterial in sämtlichen ein- zelnen oder kombinierten Ausgestaltungen verwendet werden.
Die Verdampferzone 1 umfasst somit eine Zuleitung 5 für das mindestens eine Einsatzmaterial. Optional kann die Verdampferzone auch eine Zuleitung 6 für ein Inertgas umfassen.
In der Verdampfungszone 1 kommt es zur Überführung des flüssigen Einsatzmaterials in die Gasphase unter Ausbildung eines Einsatzmaterialdampfes. Dem Fachmann sind Ausgestal- tungen einer solchen Verdampfungszone bekannt
Ober beheizte Rohrleitungen gelangt das dampfförmige Einsatzmaterial in die Reinigungsvorrichtung 2. Zusätzlich kann die Reinigungsvorrichtung 2 eine Kontrolleinrichtung zum Messen und/oder Einstellen der Einsatzmaterialdampfgeschwindigkeit umfassen. Weiterhin kann der Druckverlust vor und nach der Reinigungsvorrichtung des Membranfilters gemes- sen werden. Ebenso ist es möglich, über die durch die Kontrolieinrichtung erhaltenen Daten Rückschlüsse auf den Zustand der Reinigungsvorrichtung 2 zu ziehen und gegebenenfalls die Notwendigkeit eines Austausches oder einer Reinigung zu erkennen.
Die Reinigungsvorrichtung 2 kann des Weiteren bevorzugt mindestens eine Temperiereinheit umfassen. Diese soll gewährleisten, dass der Einsatzmaterialdampf in der mindestens einen Reinigungsvorrichtung 2 in der Gasphase, bei einer Temperatur oberhalb von 100 °C, bevorzugt oberhalb 120 °C, gehalten wird.
Der Membranfilter befindet sich vorzugsweise in einem temperaturbeständigen Gehäuse, welches bevorzugt aus Edelstahl besteht und welches eingangsseitig über eine Rohrleitung mit dem Verdampfer verbunden ist. Hinter dem Membranfilter kommen dann die Dosier- und/oder Regeleinrichtungen, die dann die Abscheidebrenner mit dem Rohmaterial versorgen. Bei Verwendung von mehreren Brennern im Abscheideprozess erfolgt die Versorgung der Abscheidebrenner mit dem dampfförmigen Rohmaterial über ein Verteilersystem.
Bevorzugt wird der Einsatzmaterialdampf aus der Verdampferzone 1 auf im Wesentlichen geradem Wege in die Reinigungsvorrichtung 2 geführt. Die mindestens eine Reaktionszone 3 der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist dem Fachmann in seiner Ausgestaltung bekannt Hierein wird der aus der mindestens einen Reinigungsvorrichtung 2 resultierende gereinigte Einsatz materialdampf geführt und in ihr wird das Einsatzmaterial durch Oxidation und/oder durch Hydrolyse zu Si02-Partikeln umgesetzt wird. Hier kann eine Ausgestaltung gemäß dem oben beschriebenen Direktverglasungs-Verfahren oder dem Sootverfahren vorgesehen sein.
Auch die mindestens eine Abscheidezone 4 mit einer Ablagerungszone für die aus der Reaktionszone 3 resultierenden Si02-Partikel ist dem Fachmann an sich bekannt.
Verwendung In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Verwendung eines Membranfilters zur Reinigung eines Einsatzmaterialdampfes, der mindestens eine polymerisierbare Polyalkylsüoxanverbindung enthält. Bei dem Membranfilter kann es sich bevorzugt um sämtliche einzelne oder kombinierte oben beschriebene Ausgestaltungen handeln.
In einer ersten Ausgestaltung eignet sich der Membranfilter insbesondere für die Abtrennung von Polymethyisiloxanen, die aus den hochsiedenden Spurenverunreinigungen unter A), wie obenstehend definiert, entstehen.
In einer zweiten Ausgestaltung eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren insbesondere für die Abtrennung von Polymethyisiloxanen» die aus der Reaktion der Spurenverunreinigungen B) und C), wie oben stehend definiert, mit dem Einsatzstoff entstehen. Die abzutrennenden Polymethylsiloxane gemäß der ersten und der zweiten Ausgestaltungen weisen vorzugsweise ein Molekulargewicht von 500 bis 1800 g/mol auf.
Insbesondere diese Polymethylsiloxane vernetzen an der Membran mit zunehmender Verweilzeit weiter zu Polymethyisiloxanen mit Molekulargewichten von vorzugsweise mehr als 1800 g/mol. Bei diesen oligomeren bzw. polymeren Polymethyisiloxanen handelt es sich üblicherweise um zyklische als auch lineare Siloxane. Es können zyklische Polymethylsiloxane sein, beispielsweise D8, D9, D10, und D11. Es können aber auch lineare Polymethylsiloxane sein, deren endständige Si-Atome beispielsweise eine Trimethylsilyi-Gruppe oder eine Dimethylsilanol-Gruppe sein können. Quarzglas
In einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird synthetisches Quarzglas bereitgestellt, welches durch das erfindungsgemäße Verfahren erhältlich ist. Das so erhaltene Quarzglas weist eine Homogenität und Reproduzierbarkeit auf, welche aus der effizienten Aufreinigung des Einsatzmaterialdampfes resultiert.
Bezugszeichenerklärung
1 Verdampferzone
2 Reinigungsvorrichtung
3 Reaktionszone
4 Abscheidezone
5 Zuleitung für das mindestens eine Einsatzmateriai
6 Optionale Zuleitung für ein Inertgas
Ausführungebeispiel
Das flüssige Einsatzmateriai OMCTS wird zusammen mit Stickstoff als Trägergas, welches auf 180°C vorgewärmt wurde, in einem Verdampfer gemäß der Ausgestaltung der Internationalen Patentanmeldung PCT/EP2012/075346 bei 170 °C verdampft. Die Zusammensetzung des Stickstickstoff-OMCTS-Dampfgemischs ist so eingestellt, dass der Taupunkt von OMCTS unter den gewählten Prozessbedingungen bei 125 °C liegt. Der verdampfte Einsatzstoff wird über beheizte Leitungen bei 175 °C durch einen auf eine in der Tabelle unten an- gegebene Temperatur beheizten Membranfilter geleitet der Firma Fall Ulticlean CDS-Filter all-f!uoropo!ymer cartrige Typ ABF UFR3EH1 (removal rating 0,2 prn). Die Druckdifferenz am Filter wird überwacht, wobei die maximale Druckdifferenz vor und hinter der Membran nicht mehr 800 mbar, bevorzugt nicht mehr als 500 mbar, überschritten werden soll.
Ablagerungen im max OD-Variation am
Betrieb mit 1 Dam pfverteil ungssystem
Temperatur verglasten Produkt
Beispiel ohne hinter dem Membranfilnach der Verdampfung
Membranfilter
Membranfilter ter nach der Verdampvon 2 to OMCTS im Mult- fung von 2 to OMCTS ibrenner-Verfahren
1 135 °C ++ £ 8 mm
2 ja 175°C ++ s 5 mm
3 190°C ++ 7 mm
4 ja 205°C + s 10 mm
5 nein ohne Membran- - 2: 15mm fiiter
ohne Membran¬
6 nein
filter & 14 mm ohne Membran¬
7 nein _
filter ä 16 mm
In der vorstehenden Tabelle weisen die einzelnen Abkürzungen folgende Bedeutung auf;
++: Man findet im Dampf-Leitungssystem hinter dem Filter keine visuellen Hinweise auf polymere Ablagerungen. +: Man findet im Dampf-Leitungssystem hinter dem Filter nur vereinzelt kleinen Stellen mit polymeren Ablagerungen.
--: Man findet im Dampf-Leitungssystem deutliche Hinweise für Ablagerungen.
Die Ablagerungen im Verdampfersystem hinter dem Membranfilter sind ein Maß für die Wirksamkeit des Membranfilters, wobei die Wirksamkeit nach der Verdampfung von jeweils 2 to OMCTS gemessen wird a) in Form von polymeren Ablagerungen, die visuell sichtbar sind im Dampfverteilungssystem hinter dem Filter; und b) in Form von O D-Variationen am verglasten Produkt im Multibrenner- erfahren.
Im Unterschied zu einem vergleichbaren Prozess ohne Membranfilter war nach der Ver- dampfung von >10 to OMCTS kein einziger Wartungs- und Reinigungseingriff an Dosiereinrichtungen erforderlich. Weiterhin wurde eine deutlich verbesserten Reproduzierbarkeit der Prozesse als auch in einer verbesserten Produkthomogenität aus (axiale Homogenität des Sootkörpers bzw. Quarzglases) gefunden.
Es wird erwartet, dass oberhalb von 210 °C die Membran mit der Zeit aufgrund der thermi- sehen Belastung schrumpft und und/oder teilweise zerstört wird. Unterhalb von 130 °C besteht das Risiko, dass sich verstärkt Kondensate an der Membran aufgrund von Taupunkts- unterschreitung niederschlagen. Die Membran wird dann von Flüssigkeit benetzt und kann dann nicht mehr wirken.

Claims

Patentansprüche
1. Verfahren zur Herstellung von synthetischem Quarzglas, gekennzeichnet durch die folgenden Verfahrensschritte:
(a) Verdampfen eines Einsatzmaterials, das mindestens eine polymerisierbare Polyalkylsiloxanverbindung enthält, unter Bildung eines Einsatzmaterialdampfes;
(b) Durchleiten des aus Verfahrensschritt (a) resultierenden Einsatzmaterialdampfes durch mindestens eine Reinigungsvorrichtung, um den Einsatzmaterialdampf zu reinigen;
(c) Zuführen des aus Verfahrensschritt (b) resultierenden gereinigten Einsatzmateri- aldampfes zu einer Reaktionszone, in dem der Einsatzmaterialdampf durch Oxi- dation und/oder durch Hydrolyse zu Si02-Partikeln umgesetzt wird; und
(d) Abscheiden der aus Verfahrensschritt (c) resultierenden Si02-Partikel auf einer Ablagerungsfläche;
(e) gegebenenfalls Trocknen und Verglasen der aus Verfahrensschritt (d) resultierenden Si02-Partikel unter Bildung von synthetischem Quarzglas; dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Polyalkylsiloxanverbindung nach dem Verdampfen im Verfahrensschritt a. und vor der Pyrolyse oder Hydrolyse im Verfahrensschritt b. durch einen Membranfilter geleitet wird, der auf eine Temperatur von 130 bis 210 °C erwärmt ist.
2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfilter auf eine Temperatur von 140 bis 190 °C erwärmt ist.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Membranfilter auf eine Arbeitstemperatur erwärmt ist, die um 3 bis 60 °C höher ist als der Taupunkt der verwendeten Polyalkylsiloxanverbindung, der sich im Dampfgemisch aus eingesetzter Trägergasmenge und dampfförmiger Polyalkylsiloxanverbindung einstellt.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei dem Membranfilter um einen Membranfilter, umfassend mindestens ein Material, ausgewählt aus der Gruppe, bestehend aus Polytetrafluorethylen, Perfluoralkoxypoly- meren, Perfluoralkoxyvinylethern oder Polyethersulfonen, handelt.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Po- rengröße des Membrantilters bis zu 0.5 μηι beträgt.
6, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mittlere maximale Dicke des Membranfilters parallel zur Durchflussrichtung des Einsatzgasstroms weniger als 200 μιη beträgt.
7, Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckdifferenz an der Filtermembran zwischen Retentat- und Permeatseite weniger als
800 mbar beträgt.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren bei einem Absolutdruck von bis zu 5 bar durchgeführt wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Poly- alkysiloxanverbindung Octamethylcyclotetrasiloxan ist.
10. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Gehalt an Polyalkylsiloxanverbindung in dem Einsatzmaterialdampf mindestens 15 Vol.-% beträgt.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ein- satzmaterialdampf zusätzlich ein Inertgas umfasst.
12. Vorrichtung zur Herstellung eines synthetischen Quarzglases, gekennzeichnet durch die folgenden Vorrichtungsbestandteile: a. mindestens eine Verdampferzone zum Verdampfen mindestens eines Einsatzmaterials, das mindestens eine polymerisierbare Polyalkysiloxanverbindung ent- hält, unter Bildung eines Einsatzmaterialdampfes; b. mindestens eine Reaktionszone, in welche der aus Verfahrensschritt (a) resultie- rende Einsatzmaterialdampf geführt wird und in welcher das Einsatzmateria! durch Pyrolyse oder durch Hydrolyse zu Si02-Partikeln umgesetzt wird; und c. mindestens eine Abscheidezone mit einer Ablagerungszone für die aus Verfahrensschritt (b) resultierenden Si02-Partike! unter Bildung von synthetischem
Quarzglas; dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens Vorrichtung mindestens einen Membranfilter umfasst, der auf eine Arbeitstemperatur von 130 bis 210 °C erwärmt ist.
Verwendung eines Membranfilters zur Reinigung eines Einsatzmateriaidampfes in der Herstellung von synthetischem Quarzglas, der mindestens eine polymerisierbare Poty- alkylsiloxanverbindung enthält, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine Po- lyalkylsiloxanverbindung nach dem Verdampfen und vor der Pyrolyse oder Hydrolyse durch einen Membranfilter geleitet wird, der auf eine Temperatur von 130 bis 210 °C erwärmt ist.
Synthetisches Quarzglas, erhältlich durch das Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11.
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